JP2017103214A - Anionic scavenger materials in anode/cathode loop of fuel cell system - Google Patents

Anionic scavenger materials in anode/cathode loop of fuel cell system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that includes a component for removing anionic contaminants.SOLUTION: The fuel system includes a fuel cell stack, a fuel gas feed subsystem in communication with fuel cell anodes in the fuel cell stack, an oxygen-containing gas feed subsystem in communication with fuel cell cathodes in the fuel cell stack, and an anionic scavenging subsystem in communication with the fuel gas feed subsystem and/or the oxygen-containing gas feed subsystem.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、2015年10月26日出願の米国仮出願第62/246,254号の利益を請求し、その本開示がここで引用によってその全体として本明細書に援用される。
Cross-reference of related applications
[0001] This application claims the benefit of US Provisional Application No. 62 / 246,254, filed Oct. 26, 2015, the disclosure of which is hereby incorporated by reference in its entirety.

[0002]少なくとも1つの実施形態において、本発明は、アニオン汚染に起因する燃料電池における回復電圧損失のための方法およびシステムに関する。   [0002] In at least one embodiment, the present invention relates to a method and system for recovery voltage loss in a fuel cell due to anionic contamination.

[0003]燃料電池は多くの用途で電源として使用される。特に、燃料電池は内燃機関に代わって自動車で使用するために提案される。一般に使用される燃料電池設計は、固体高分子電解質(「SPE」)膜またはプロトン交換膜(「PEM」)を使用して、アノードとカソードとの間のイオン輸送を提供する。   [0003] Fuel cells are used as a power source in many applications. In particular, fuel cells are proposed for use in automobiles instead of internal combustion engines. Commonly used fuel cell designs use solid polymer electrolyte (“SPE”) or proton exchange membranes (“PEM”) to provide ion transport between the anode and cathode.

[0004]プロトン交換膜型燃料電池において、水素が燃料としてアノードに供給され、そして酸素が酸化剤としてカソードに供給される。酸素は純粋形(O)かまたは空気(OとNの混合物)のいずれかであることができる。PEM燃料電池は、固体高分子膜が一方の面にアノード触媒および反対側の面にカソード触媒を有する膜電極接合体(「MEA」)を典型的に有する。典型的なPEM燃料電池のアノードおよびカソード層は、黒鉛織布、黒鉛化シートまたはカーボン紙などの多孔質導電材料で形成されて、燃料および酸化剤が、それぞれ燃料および酸化剤供給電極に面する膜の表面にわたって分散することを可能にする。各電極は、炭素粒子に担持される微細触媒粒子(たとえば、白金粒子)を有して、アノードで水素の酸化およびカソードで酸素の還元を促進する。プロトンはアノードからイオン伝導性高分子膜を通ってカソードに流動し、そこでそれらは酸素と結合して水を形成し、セルから排出される。MEAは一対の多孔質ガス拡散層(「GDL」)間にはさみ込まれ、それらは次いで一対の非多孔質導電要素または板間にはさみ込まれる。板はアノードおよびカソードのための集電体として機能し、かつそれぞれのアノードおよびカソード触媒の表面にわたって燃料電池のガス状反応物を分布させるための、そこに形成される適切な流路および開口を含む。効率的に電気を生成するために、PEM燃料電池の高分子電解質膜は、薄く、化学的に安定で、プロトン透過性で、非導電性で、かつガス不透過性でなければならない。典型的な用途において、燃料電池は、高レベルの電力を提供するために多くの個々の燃料電池スタックのアレイで設けられる。 [0004] In proton exchange membrane fuel cells, hydrogen is supplied as fuel to the anode and oxygen is supplied as oxidant to the cathode. The oxygen can be either in pure form (O 2 ) or air (mixture of O 2 and N 2 ). PEM fuel cells typically have a membrane electrode assembly (“MEA”) in which a solid polymer membrane has an anode catalyst on one side and a cathode catalyst on the opposite side. The anode and cathode layers of a typical PEM fuel cell are formed of a porous conductive material such as graphite woven fabric, graphitized sheet or carbon paper, with the fuel and oxidant facing the fuel and oxidant supply electrodes, respectively. Allows dispersion over the surface of the membrane. Each electrode has fine catalyst particles (eg, platinum particles) carried on carbon particles to promote hydrogen oxidation at the anode and oxygen reduction at the cathode. Protons flow from the anode through the ion conducting polymer membrane to the cathode where they combine with oxygen to form water and are discharged from the cell. The MEA is sandwiched between a pair of porous gas diffusion layers (“GDL”), which are then sandwiched between a pair of non-porous conductive elements or plates. The plates serve as current collectors for the anode and cathode and have appropriate flow paths and openings formed therein for distributing the fuel cell gaseous reactants over the surfaces of the respective anode and cathode catalysts. Including. In order to efficiently generate electricity, the polymer electrolyte membrane of a PEM fuel cell must be thin, chemically stable, proton permeable, non-conductive, and gas impermeable. In typical applications, fuel cells are provided in an array of many individual fuel cell stacks to provide a high level of power.

[0005]先行技術の燃料電池システムはかなり十分に機能するとはいえ、ペルフルオロスルホン酸(PFSA)型のPEM膜の化学劣化により硫酸塩が放出される可能性があることが知られている。加えて、空気からのSOが水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。セル電圧損失に対して強い相関を示した硫酸塩は、回復サイクルの間に生成水へ放出される。それらの硫酸塩はアノード/カソードループにおけるアニオン交換材料に結合されることになり、したがってセルに戻って再循環されて急速な電圧損失を引き起こすことはないだろう。現在、運転時回復手順が、可逆劣化損失の問題を解決する唯一の有効な方法である。しかしながら、電極汚染を引き起こす硫酸塩および他のアニオンは、回復サイクルの間に完全にはシステムから外へ除去されないことがある。 [0005] Although prior art fuel cell systems function fairly well, it is known that chemical degradation of perfluorosulfonic acid (PFSA) type PEM membranes can result in the release of sulfate. In addition, there is a possibility that the SO 2 from the air is dissolved in water, and is changed to sulfite and sulfate. Sulfates that showed a strong correlation to cell voltage loss are released into the product water during the recovery cycle. Those sulfates will be bound to the anion exchange material in the anode / cathode loop and will therefore not be recycled back to the cell causing a rapid voltage loss. Currently, the recovery procedure during operation is the only effective way to solve the problem of loss of reversible degradation. However, sulfates and other anions that cause electrode contamination may not be completely removed from the system during the recovery cycle.

[0006]したがって、アニオン汚染物からの燃料電池電圧損失を防止するための改善された方法およびシステムの必要がある。   [0006] Thus, there is a need for improved methods and systems for preventing fuel cell voltage loss from anionic contaminants.

[0007]本発明は、少なくとも1つの実施形態において、アニオン汚染物を除去するための部品を含む燃料電池システムを提供することによって先行技術の1つまたは複数の問題を解決する。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムおよび/または酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムが燃料電池アノードに燃料を提供する一方、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池アノードに酸素含有ガスを提供する。燃料電池スタックにおける燃料電池は膜劣化を介して硫酸塩を放出し、それはアノード/カソードループへ放出される可能性があり、かつセルに戻って再循環されてそれによってさらなる電圧損失を引き起こすことがある。有利には、アニオン捕捉サブシステムは、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および他の汚染物(たとえば塩化物)を除去する。   [0007] The present invention, in at least one embodiment, solves one or more problems of the prior art by providing a fuel cell system that includes a component for removing anionic contaminants. A fuel cell system includes: a fuel cell stack; a fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack; an oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack; An anion capture subsystem in communication with the gas supply subsystem and / or the oxygen-containing gas supply subsystem. The fuel gas supply subsystem provides fuel to the fuel cell anode, while the oxygen-containing gas supply subsystem provides oxygen-containing gas to the fuel cell anode. The fuel cells in the fuel cell stack release sulfate through membrane degradation, which can be released to the anode / cathode loop and can be recycled back to the cell, thereby causing further voltage loss. is there. Advantageously, the anion capture subsystem removes sulfate and other contaminants (eg, chloride) from the anode or cathode recirculation loop.

[0008]別の実施形態において、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムと流体連通している第1のアニオン捕捉サブシステムと、酸素含有ガス供給サブシステムと流体連通している第2のアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムは燃料電池アノードに燃料を提供する。燃料ガス供給サブシステムはまた、燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む。同様に、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する。酸素含有ガス供給サブシステムはまた、水が出口から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む。第1のアニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる一方、第2のアニオン捕捉サブシステムはカソード排出部と燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる。   [0008] In another embodiment, a fuel cell system for removing anionic contaminants is provided. A fuel cell system includes: a fuel cell stack; a fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack; an oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack; A first anion capture subsystem in fluid communication with the gas supply subsystem and a second anion capture subsystem in fluid communication with the oxygen-containing gas supply subsystem. The fuel gas supply subsystem provides fuel to the fuel cell anode. The fuel gas supply subsystem also includes an anode loop in which the fuel gas is recirculated and integrated with new fuel at the fuel recombination station. Similarly, the oxygen-containing gas supply subsystem provides oxygen-containing gas to the fuel cell cathode. The oxygen-containing gas supply subsystem also includes a cathode loop in which water is transferred from the outlet to a retractable dry cathode oxygen-containing supply gas by a humidifier. A first anion capture subsystem is positioned between the anode exhaust and the fuel recombination station, while a second anion capture subsystem is positioned between the cathode exhaust and the fuel recombination station.

[0009]アノードおよび/またはカソード触媒層へ炭素担持触媒を組み込む燃料電池の概略横断面である。[0009] FIG. 2 is a schematic cross section of a fuel cell incorporating a carbon-supported catalyst into an anode and / or cathode catalyst layer. [0010]回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットである。[0010] FIG. 5 is a plot illustrating the correlation between recoverable voltage loss and sulfate concentration in fuel cell cathode discharge water. [0011]セル電圧損失とBOP材料浸出指数の相関のプロットを提供する。[0011] Provides a plot of the correlation between cell voltage loss and BOP material leaching index. [0012]アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図を提供する。[0012] A schematic diagram of a fuel cell system for removing anionic contaminants is provided.

[0013]ここで、発明者が目下知っている本発明を実施する最良の形態を構成する本発明の目下好適な構成、実施形態および方法に詳細に参照がなされることになる。図は必ずしも一定の比率であるわけではない。しかしながら、開示される実施形態は単に、様々なかつ代替の形態で具体化されてもよい本発明の例示であることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示される具体的な詳細は、限定的とではなく、単に本発明の任意の態様のための代表的な基礎と、かつ/または当業者に本発明を様々に利用することを教示するための代表的な基礎と解釈されるべきである。   [0013] Reference will now be made in detail to the presently preferred configurations, embodiments and methods of the invention, which constitute the best mode of carrying out the invention that the inventors are presently aware of. The figure is not necessarily a fixed ratio. However, it is to be understood that the disclosed embodiments are merely exemplary of the invention that may be embodied in various and alternative forms. Accordingly, the specific details disclosed herein are not intended to be limiting, but merely to serve as a representative basis for any aspect of the present invention and / or various uses of the present invention to those skilled in the art. Should be construed as a representative basis for teaching.

[0014]例において、または別途明示される場合を除いて、物量または反応および/もしくは使用の条件を示す本記載におけるすべての数量は、本発明の最も広い範囲を記載する際に単語「約」によって修飾されると理解されるべきである。規定される数値限度内での実施が一般に好適である。また、そうでない旨明示されない限り、パーセント、「の部」および比値は重量によっており、本発明に関連した所与の目的で適切または好適であるとの材料の群または種類の記載は、その群または種類の部材の任意の2つ以上の混合が等しく適切または好適であることを意味しており、化学用語での構成成分の記載は、その記載に明記される任意の化合物への追加の時点での構成成分を指すものであり、一旦混合されれば混合物の構成成分間の化学相互作用を必ずしも除外するわけではなく、頭字語または他の略語の最初の定義は、同じ略語の本明細書におけるすべてのその後の使用に適用され、かつ最初に定義した略語の通常の文法的変化に準用しており、さらに、そうでない旨明示されない限り、性質の測定値は、同じ性質に対してその前でまたは後で言及されるのと同じ技法によって求められる。   [0014] In the examples or unless otherwise stated, all quantities in this description that indicate physical quantities or conditions of reaction and / or use are intended to describe the word "about" in describing the broadest scope of the invention. Should be understood to be modified by Implementation within the numerical limits specified is generally preferred. Also, unless expressly stated otherwise, percentages, “parts” and ratio values are by weight, and a description of a group or type of material that is appropriate or suitable for a given purpose in connection with the present invention is Meaning that mixing of any two or more of a group or type of members is equally suitable or suitable, and the description of a component in chemical terms is an addition to any compound specified in that description. It refers to the components at the time and does not necessarily exclude chemical interactions between the components of the mixture once mixed, the initial definition of an acronym or other abbreviation is the same abbreviation of this specification Applies to all subsequent uses in the document and applies mutatis mutandis to the usual grammatical changes of the abbreviations defined at the beginning, and unless otherwise stated, the measure of a property is the Or determined by the same technique as mentioned later in front.

[0015]具体的な部品および/または条件がもちろん異なってもよいので、本発明は後述される具体的な実施形態および方法に限定されないことも理解されるべきである。さらにまた、本明細書で使用される術語は、本発明の特定の実施形態を記載する目的でのみ使用され、かついかなる形であれ限定的であるとは意図されない。   [0015] It should also be understood that the invention is not limited to the specific embodiments and methods described below, as specific components and / or conditions may of course vary. Furthermore, the terminology used herein is used only for the purpose of describing particular embodiments of the invention and is not intended to be limiting in any way.

[0016]用語「備えている」は、「含んでいる」、「有している」、「含有している」または「を特徴とする」と同義である。これらの用語は包括的かつオープンエンドであり、かつ追加の、列挙されていない要素または方法ステップを除外しない。   [0016] The term “comprising” is synonymous with “comprising”, “having”, “containing” or “characterizing”. These terms are comprehensive and open-ended and do not exclude additional, non-enumerated elements or method steps.

[0017]句「から成っている」は、請求項に明記されていないいかなる要素、ステップまたは成分も除外する。この句が請求項の前文直後でなく、本体の節に現れるとき、それはその節に記載される要素のみを限定し、他の要素は請求項全体からは除外されない。   [0017] The phrase “consisting of” excludes any element, step, or ingredient not specified in the claim. When this phrase appears in a main section rather than immediately after the preamble of a claim, it limits only those elements described in that section and does not exclude other elements from the entire claim.

[0018]句「本質的に〜から成っている」は、請求項の範囲を明記される材料またはステップに加え、請求される主題の基本的かつ新規な特性に実質的に影響しないものに限定する。   [0018] The phrase “consisting essentially of” limits the scope of the claim to the material or steps specified, as well as to those that do not substantially affect the basic and novel characteristics of the claimed subject matter. To do.

[0019]用語「備えている」、「から成っている」および「本質的に〜から成っている」に関して、これらの3つの用語の1つが本明細書で使用される場合、本開示かつ請求される主題は、その他の2つの用語のいずれの使用も含むことができる。   [0019] With respect to the terms "comprising", "consisting of", and "consisting essentially of" when one of these three terms is used herein, the present disclosure and claims The subject matter covered can include the use of either of the other two terms.

[0020]本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ある1つの」および「その」は、文脈が別途明示しない限り、複数の指示物を含むことも留意されなければならない。たとえば、単数での部品への言及は、複数の部品を含むものと意図される。   [0020] It should also be noted that as used in this specification and the appended claims, the singular forms “a” and “the” include plural referents unless the context clearly indicates otherwise. I must. For example, reference to a part in the singular is intended to include a plurality of parts.

[0021]略語
[0022]「RT」は室温を意味する。
[0023]本出願の全体を通じて、公報が参照される場合、これらの公報の開示がそれらの全体としてここで引用によって本出願に援用され、本発明が属する現状技術をより完全に記載する。
[0021] Abbreviations
[0022] "RT" means room temperature.
[0023] When publications are referenced throughout this application, the disclosures of these publications are hereby incorporated herein by reference in their entirety and more fully describe the state of the art to which this invention belongs.

[0024]図1は、アニオン汚染物が除去される燃料電池システムに組み込まれることができる燃料電池の横断面図を提供する。PEM燃料電池10は、カソード電気触媒層14とアノード電気触媒層16との間に設置される高分子イオン伝導膜12を含む。燃料電池10は、ガス流路24および26を含む導電流場板20、22も含む。流場板20、22は双極板(例示される)か、または単極板(すなわち、端板)かである。改良において、流場板20、22は、金または白金などの貴金属で任意選択で被覆される金属板(たとえば、ステンレス鋼)から形成される。別の改良において、流場板20、22は、やはり貴金属で任意選択で被覆される伝導性高分子から形成される。ガス拡散層32および34がまた、流場板と触媒層との間に介在される。動作の間、水素が燃料としてアノード触媒層16に供給され、そして酸素が酸化剤としてカソード触媒層14に供給され、それによってそこでの電気化学工程の結果として電気を生成する。しかしながら、燃料電池動作の1つの複雑化は、硫酸塩を放出することがある高分子イオン伝導膜の劣化である。加えて、空気からのSOが水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。例として、表1は、最初の時間での燃料電池電圧(V1)および空気中のppbレベルのSOへの曝露後の後の時間での燃料電池電圧(V2)を図示する。この表は、0.2A/cmで動作されているセルに対する周囲空気からのSOの影響を図示する。 [0024] FIG. 1 provides a cross-sectional view of a fuel cell that can be incorporated into a fuel cell system from which anionic contaminants are removed. The PEM fuel cell 10 includes a polymer ion conductive membrane 12 disposed between a cathode electrocatalyst layer 14 and an anode electrocatalyst layer 16. The fuel cell 10 also includes conductive flow field plates 20, 22 that include gas flow paths 24 and 26. The flow field plates 20, 22 are bipolar plates (illustrated) or monopolar plates (ie, end plates). In an improvement, the flow field plates 20, 22 are formed from a metal plate (eg, stainless steel) that is optionally coated with a noble metal such as gold or platinum. In another refinement, the flow field plates 20, 22 are formed from a conductive polymer that is also optionally coated with a noble metal. Gas diffusion layers 32 and 34 are also interposed between the flow field plate and the catalyst layer. During operation, hydrogen is supplied as fuel to the anode catalyst layer 16 and oxygen is supplied as oxidant to the cathode catalyst layer 14 thereby generating electricity as a result of the electrochemical process therein. However, one complication of fuel cell operation is the degradation of the polymer ion conducting membrane that can release sulfate. In addition, there is a possibility that the SO 2 from the air is dissolved in water, and is changed to sulfite and sulfate. As an example, Table 1 illustrates the fuel cell voltage (V1) at the first time and the fuel cell voltage (V2) at a later time after exposure to ppb levels of SO 2 in air. This table illustrates the effect of SO 2 from ambient air on a cell operating at 0.2 A / cm 2 .

Figure 2017103214
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図2は、回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットを提供する。同様に、図3は、セル電圧損失とBOP材料浸出指数の相関のプロットを提供する。燃料電池性能に対する硫酸塩の有害な影響は明確には否定できない。 FIG. 2 provides a plot illustrating the correlation between recoverable voltage loss and sulfate concentration in the fuel cell cathode discharge water. Similarly, FIG. 3 provides a plot of the correlation between cell voltage loss and BOP material leaching index. The harmful effects of sulfate on fuel cell performance cannot be clearly denied.

[0025]図4を参照して、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図が提供される。燃料電池システム40は、1つまたは複数の個々の燃料電池44を含む燃料電池スタック42を含む。改良において、燃料電池44は、図1に描かれる全般的な設計およびその関連した記載によるものである。1つの改良において、燃料電池スタック42は5から400の燃料電池を含む。燃料電池システム40は、燃料電池スタック42における燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステム46、および燃料電池スタック42における燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステム48も含む。   [0025] Referring to FIG. 4, a schematic diagram of a fuel cell system for removing anionic contaminants is provided. The fuel cell system 40 includes a fuel cell stack 42 that includes one or more individual fuel cells 44. In an improvement, the fuel cell 44 is according to the general design depicted in FIG. 1 and its associated description. In one refinement, the fuel cell stack 42 includes 5 to 400 fuel cells. The fuel cell system 40 also includes a fuel gas supply subsystem 46 in communication with the fuel cell anode in the fuel cell stack 42 and an oxygen-containing gas supply subsystem 48 in communication with the fuel cell cathode in the fuel cell stack 42.

[0026]さらに図4を参照すると、燃料ガス供給サブシステム46は、燃料電池スタック42に、特に燃料電池アノードに燃料含有ガスを提供する燃料源50を含む。典型的に、燃料は分子水素を含む。燃料は燃料電池スタックに入り、そして燃料電池アノード、特に燃料電池のアノード触媒層に接触する。いくつかの変形において、燃料ガス供給サブシステム46は、燃料がアノード排出部53から再循環されて燃料再結合ステーション54で新しい燃料と統合されるアノードループ52を含む。この状況において、アノードループ52は、再結合ステーション54から燃料電池スタックを通って、そして燃料再結合ステーション54に戻る全流動経路を含む。   [0026] Still referring to FIG. 4, the fuel gas supply subsystem 46 includes a fuel source 50 that provides a fuel-containing gas to the fuel cell stack 42, particularly to the fuel cell anode. Typically, the fuel contains molecular hydrogen. The fuel enters the fuel cell stack and contacts the fuel cell anode, particularly the anode catalyst layer of the fuel cell. In some variations, the fuel gas supply subsystem 46 includes an anode loop 52 in which fuel is recirculated from the anode exhaust 53 and integrated with new fuel at the fuel recombination station 54. In this situation, the anode loop 52 includes a total flow path from the recombination station 54 through the fuel cell stack and back to the fuel recombination station 54.

[0027]さらに図4を参照すると、酸素含有ガス供給サブシステム48は、燃料電池スタック42に酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス源60を含む。典型的に、酸素含有ガスは分子酸素(たとえば、空気)を含む。酸素含有ガスは燃料電池スタックに入り、そして燃料電池カソード、特に燃料電池のカソード触媒層に接触する。いくつかの変形において、酸素含有ガス供給サブシステム48は、水が燃料電池カソードのカソード排出部63から加湿器64を介する引込み乾性カソード酸素含有供給ガス(たとえば、空気)に転送されるカソードループ62を含む。この状況において、カソードループ62は、加湿器64から燃料電池スタックを通って、そして加湿器64に戻る全流動経路を含む。   Still referring to FIG. 4, the oxygen-containing gas supply subsystem 48 includes an oxygen-containing gas source 60 that provides an oxygen-containing gas to the fuel cell stack 42. Typically, the oxygen-containing gas includes molecular oxygen (eg, air). The oxygen-containing gas enters the fuel cell stack and contacts the fuel cell cathode, particularly the cathode catalyst layer of the fuel cell. In some variations, the oxygen-containing gas supply subsystem 48 includes a cathode loop 62 in which water is transferred from the cathode discharge 63 of the fuel cell cathode to a drawn dry cathode oxygen-containing supply gas (eg, air) via a humidifier 64. including. In this situation, the cathode loop 62 includes a full flow path from the humidifier 64 through the fuel cell stack and back to the humidifier 64.

[0028]さらに図4を参照すると、燃料電池システム40は、燃料ガス供給サブシステム46および/または酸素含有ガス供給サブシステム48と連通しているアニオン捕捉サブシステム66および/または68を含む。いくつかの変形において、燃料電池システム40は、アニオン捕捉サブシステム66および/または68の一方または両方を含む。アニオン捕捉サブシステム66および68は、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および任意選択で他の汚染物を除去する。アニオン捕捉サブシステム66は、アノード排出部53と再結合ステーション54との間でアノード再循環ループ52に位置付けられる。同様に、アニオン捕捉サブシステム68は、カソード排出部63と加湿器64との間でカソードループ62に位置付けられる。加湿器64は、乾性引込み酸素含有ガスを加湿するために、そのガスに燃料電池の湿性出力カソードガスに形成される水を転送する。したがって、加湿器は、アニオン汚染物が燃料電池スタックのカソード出口から通じてカソード入口に戻るための経路を提供する。改良において、アニオン捕捉サブシステム66は、カソード出口と加湿器64との間に位置付けられ、それによって酸素含有ガスに戻って通じるアニオン汚染物の量を低減させる。改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも80重量パーセントを各々独立して除去する。別の改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも90重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の80〜100重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の90〜98重量パーセントを各々独立して除去する。これらの重量百分率に関して、重量パーセントは、捕捉サブシステムへ流動するガスの重量である。   [0028] Still referring to FIG. 4, the fuel cell system 40 includes an anion capture subsystem 66 and / or 68 in communication with a fuel gas supply subsystem 46 and / or an oxygen-containing gas supply subsystem 48. In some variations, the fuel cell system 40 includes one or both of anion capture subsystems 66 and / or 68. Anion capture subsystems 66 and 68 remove sulfates and optionally other contaminants from the anode or cathode recirculation loop. An anion capture subsystem 66 is positioned in the anode recirculation loop 52 between the anode outlet 53 and the recombination station 54. Similarly, the anion trapping subsystem 68 is positioned in the cathode loop 62 between the cathode outlet 63 and the humidifier 64. The humidifier 64 transfers the water formed in the wet output cathode gas of the fuel cell to the dry entrained oxygen-containing gas to humidify the gas. Thus, the humidifier provides a path for anionic contaminants to pass from the cathode outlet of the fuel cell stack back to the cathode inlet. In an improvement, the anion trapping subsystem 66 is positioned between the cathode outlet and the humidifier 64, thereby reducing the amount of anionic contaminants that pass back to the oxygen-containing gas. In an improvement, the anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove at least 80 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas, respectively. In another improvement, anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove at least 90 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas, respectively. In yet another improvement, anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove 80-100 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas. In yet another improvement, anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove 90-98 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas. With respect to these weight percentages, the weight percent is the weight of gas flowing to the capture subsystem.

[0029]変形において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、水酸化物(OH)形態でアニオン交換樹脂またはアイオノマー(共通の官能基:四級アンモニウム)を含む。樹脂は使用前にいかなる汚染も除去するために洗浄されることができることが認識されるべきである。その上、樹脂は稼働中に再生または交換されることができる。 [0029] In a variation, the anion capture subsystems 66 and 68 include an anion exchange resin or ionomer (common functional group: quaternary ammonium) in the hydroxide (OH ) form. It should be appreciated that the resin can be washed to remove any contamination prior to use. Moreover, the resin can be regenerated or replaced during operation.

[0030]表2および3は、水酸化物形態のAmberlyst(登録商標)A26であった試験アニオン交換樹脂に対する平衡状態での測定されたアニオン除去百分率を提供する。   [0030] Tables 2 and 3 provide the measured anion removal percentage at equilibrium for the test anion exchange resin that was Amberlyst® A26 in hydroxide form.

Figure 2017103214
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Figure 2017103214
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溶液中のアニオンの過当競争があると、アニオン交換樹脂が硫酸塩に対する高い選択性を有することが観察される。その上、3日にわたる異なる温度条件下でアニオン除去能力に有意差は観察されなかった。 It is observed that an anion exchange resin has a high selectivity for sulfate when there is excessive competition for anions in solution. Moreover, no significant difference was observed in the ability to remove anions under different temperature conditions over 3 days.

[0031]例示的な実施形態が上記記載されるが、これらの実施形態が本発明のすべての可能な形態を記載するとは意図されない。むしろ、本明細書で使用される文言は限定よりむしろ説明の文言であり、そして本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解される。追加的に、様々な実装実施形態の特徴が組み合わされて本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。   [0031] While exemplary embodiments are described above, it is not intended that these embodiments describe all possible forms of the invention. Rather, it is understood that the terminology used herein is descriptive rather than limiting, and that various changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, features of various implementations may be combined to form further embodiments of the invention.

10 PEM燃料電池
12 高分子イオン伝導膜
14 カソード電気触媒層
16 アノード電気触媒層
20 導電流場板
22 導電流場板
24 ガス流路
26 ガス流路
32 ガス拡散層
34 ガス拡散層
40 燃料電池システム
42 燃料電池スタック
44 燃料電池
46 燃料ガス供給サブシステム
48 酸素含有ガス供給サブシステム
50 燃料源
52 アノードループ、アノード再循環ループ
53 アノード排出部
54 燃料再結合ステーション
60 酸素含有ガス源
62 カソードループ
63 カソード排出部
64 加湿器
66 アニオン捕捉サブシステム
68 アニオン捕捉サブシステム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 PEM fuel cell 12 Polymer ion conductive film 14 Cathode electrocatalyst layer 16 Anode electrocatalyst layer 20 Conductive flow field plate 22 Conductive flow field plate 24 Gas flow path 26 Gas flow path 32 Gas diffusion layer 34 Gas diffusion layer 40 Fuel cell system 42 Fuel cell stack 44 Fuel cell 46 Fuel gas supply subsystem 48 Oxygen-containing gas supply subsystem 50 Fuel source 52 Anode loop, anode recirculation loop 53 Anode outlet 54 Fuel recombination station 60 Oxygen-containing gas source 62 Cathode loop 63 Cathode Discharge unit 64 Humidifier 66 Anion capture subsystem 68 Anion capture subsystem

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、2015年10月26日出願の米国仮出願第62/246,254号の利益を請求し、その本開示がここで引用によってその全体として本明細書に援用される。
Cross-reference of related applications
[0001] This application claims the benefit of US Provisional Application No. 62 / 246,254, filed Oct. 26, 2015, the disclosure of which is hereby incorporated by reference in its entirety.

[0002]少なくとも1つの実施形態において、本発明は、アニオン汚染に起因する燃料電池における回復電圧損失のための方法およびシステムに関する。   [0002] In at least one embodiment, the present invention relates to a method and system for recovery voltage loss in a fuel cell due to anionic contamination.

[0003]燃料電池は多くの用途で電源として使用される。特に、燃料電池は内燃機関に代わって自動車で使用するために提案される。一般に使用される燃料電池設計は、固体高分子電解質(「SPE」)膜またはプロトン交換膜(「PEM」)を使用して、アノードとカソードとの間のイオン輸送を提供する。   [0003] Fuel cells are used as a power source in many applications. In particular, fuel cells are proposed for use in automobiles instead of internal combustion engines. Commonly used fuel cell designs use solid polymer electrolyte (“SPE”) or proton exchange membranes (“PEM”) to provide ion transport between the anode and cathode.

[0004]プロトン交換膜型燃料電池において、水素が燃料としてアノードに供給され、そして酸素が酸化剤としてカソードに供給される。酸素は純粋形(O)かまたは空気(OとNの混合物)のいずれかであることができる。PEM燃料電池は、固体高分子膜が一方の面にアノード触媒および反対側の面にカソード触媒を有する膜電極接合体(「MEA」)を典型的に有する。典型的なPEM燃料電池のアノードおよびカソード層は、黒鉛織布、黒鉛化シートまたはカーボン紙などの多孔質導電材料で形成されて、燃料および酸化剤が、それぞれ燃料および酸化剤供給電極に面する膜の表面にわたって分散することを可能にする。各電極は、炭素粒子に担持される微細触媒粒子(たとえば、白金粒子)を有して、アノードで水素の酸化およびカソードで酸素の還元を促進する。プロトンはアノードからイオン伝導性高分子膜を通ってカソードに流動し、そこでそれらは酸素と結合して水を形成し、セルから排出される。MEAは一対の多孔質ガス拡散層(「GDL」)間にはさみ込まれ、それらは次いで一対の非多孔質導電要素または板間にはさみ込まれる。板はアノードおよびカソードのための集電体として機能し、かつそれぞれのアノードおよびカソード触媒の表面にわたって燃料電池のガス状反応物を分布させるための、そこに形成される適切な流路および開口を含む。効率的に電気を生成するために、PEM燃料電池の高分子電解質膜は、薄く、化学的に安定で、プロトン透過性で、非導電性で、かつガス不透過性でなければならない。典型的な用途において、燃料電池は、高レベルの電力を提供するために多くの個々の燃料電池スタックのアレイで設けられる。 [0004] In proton exchange membrane fuel cells, hydrogen is supplied as fuel to the anode and oxygen is supplied as oxidant to the cathode. The oxygen can be either in pure form (O 2 ) or air (mixture of O 2 and N 2 ). PEM fuel cells typically have a membrane electrode assembly (“MEA”) in which a solid polymer membrane has an anode catalyst on one side and a cathode catalyst on the opposite side. The anode and cathode layers of a typical PEM fuel cell are formed of a porous conductive material such as graphite woven fabric, graphitized sheet or carbon paper, with the fuel and oxidant facing the fuel and oxidant supply electrodes, respectively. Allows dispersion over the surface of the membrane. Each electrode has fine catalyst particles (eg, platinum particles) carried on carbon particles to promote hydrogen oxidation at the anode and oxygen reduction at the cathode. Protons flow from the anode through the ion conducting polymer membrane to the cathode where they combine with oxygen to form water and are discharged from the cell. The MEA is sandwiched between a pair of porous gas diffusion layers (“GDL”), which are then sandwiched between a pair of non-porous conductive elements or plates. The plates serve as current collectors for the anode and cathode and have appropriate flow paths and openings formed therein for distributing the fuel cell gaseous reactants over the surfaces of the respective anode and cathode catalysts. Including. In order to efficiently generate electricity, the polymer electrolyte membrane of a PEM fuel cell must be thin, chemically stable, proton permeable, non-conductive, and gas impermeable. In typical applications, fuel cells are provided in an array of many individual fuel cell stacks to provide a high level of power.

[0005]先行技術の燃料電池システムはかなり十分に機能するとはいえ、ペルフルオロスルホン酸(PFSA)型のPEM膜の化学劣化により硫酸塩が放出される可能性があることが知られている。加えて、空気からのSOが水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。セル電圧損失に対して強い相関を示した硫酸塩は、回復サイクルの間に生成水へ放出される。それらの硫酸塩はアノード/カソードループにおけるアニオン交換材料に結合されることになり、したがってセルに戻って再循環されて急速な電圧損失を引き起こすことはないだろう。現在、運転時回復手順が、可逆劣化損失の問題を解決する唯一の有効な方法である。しかしながら、電極汚染を引き起こす硫酸塩および他のアニオンは、回復サイクルの間に完全にはシステムから外へ除去されないことがある。 [0005] Although prior art fuel cell systems function fairly well, it is known that chemical degradation of perfluorosulfonic acid (PFSA) type PEM membranes can result in the release of sulfate. In addition, there is a possibility that the SO 2 from the air is dissolved in water, and is changed to sulfite and sulfate. Sulfates that showed a strong correlation to cell voltage loss are released into the product water during the recovery cycle. Those sulfates will be bound to the anion exchange material in the anode / cathode loop and will therefore not be recycled back to the cell causing a rapid voltage loss. Currently, the recovery procedure during operation is the only effective way to solve the problem of loss of reversible degradation. However, sulfates and other anions that cause electrode contamination may not be completely removed from the system during the recovery cycle.

[0006]したがって、アニオン汚染物からの燃料電池電圧損失を防止するための改善された方法およびシステムの必要がある。   [0006] Thus, there is a need for improved methods and systems for preventing fuel cell voltage loss from anionic contaminants.

[0007]本発明は、少なくとも1つの実施形態において、アニオン汚染物を除去するための部品を含む燃料電池システムを提供することによって先行技術の1つまたは複数の問題を解決する。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムおよび/または酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムが燃料電池アノードに燃料を提供する一方、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する。燃料電池スタックにおける燃料電池は膜劣化を介して硫酸塩を放出し、それはアノード/カソードループへ放出される可能性があり、かつセルに戻って再循環されてそれによってさらなる電圧損失を引き起こすことがある。有利には、アニオン捕捉サブシステムは、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および他の汚染物(たとえば塩化物)を除去する。 [0007] The present invention, in at least one embodiment, solves one or more problems of the prior art by providing a fuel cell system that includes a component for removing anionic contaminants. A fuel cell system includes: a fuel cell stack; a fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack; an oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack; An anion capture subsystem in communication with the gas supply subsystem and / or the oxygen-containing gas supply subsystem. The fuel gas supply subsystem provides fuel to the fuel cell anode, while the oxygen-containing gas supply subsystem provides oxygen-containing gas to the fuel cell cathode . The fuel cells in the fuel cell stack release sulfate through membrane degradation, which can be released to the anode / cathode loop and can be recycled back to the cell, thereby causing further voltage loss. is there. Advantageously, the anion capture subsystem removes sulfate and other contaminants (eg, chloride) from the anode or cathode recirculation loop.

[0008]別の実施形態において、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムと流体連通している第1のアニオン捕捉サブシステムと、酸素含有ガス供給サブシステムと流体連通している第2のアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムは燃料電池アノードに燃料を提供する。燃料ガス供給サブシステムはまた、燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む。同様に、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する。酸素含有ガス供給サブシステムはまた、水が出口から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む。第1のアニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる一方、第2のアニオン捕捉サブシステムはカソード排出部と加湿器との間に位置付けられる。 [0008] In another embodiment, a fuel cell system for removing anionic contaminants is provided. A fuel cell system includes: a fuel cell stack; a fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack; an oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack; A first anion capture subsystem in fluid communication with the gas supply subsystem and a second anion capture subsystem in fluid communication with the oxygen-containing gas supply subsystem. The fuel gas supply subsystem provides fuel to the fuel cell anode. The fuel gas supply subsystem also includes an anode loop in which the fuel gas is recirculated and integrated with new fuel at the fuel recombination station. Similarly, the oxygen-containing gas supply subsystem provides oxygen-containing gas to the fuel cell cathode. The oxygen-containing gas supply subsystem also includes a cathode loop in which water is transferred from the outlet to a retractable dry cathode oxygen-containing supply gas by a humidifier. A first anion trapping subsystem is positioned between the anode outlet and the fuel recombination station, while a second anion trapping subsystem is positioned between the cathode outlet and the humidifier .

なお、本明細書には、少なくとも以下の態様が記載されている。  In the present specification, at least the following aspects are described.
(態様1)(Aspect 1)
アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、  A fuel cell system for removing anionic contaminants,
燃料電池スタックと、  A fuel cell stack;
前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供する燃料ガス供給サブシステムと、  A fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack, the fuel gas supply subsystem providing fuel gas to the fuel cell anode;
前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス供給サブシステムと、  An oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack, the oxygen-containing gas supply subsystem providing an oxygen-containing gas to the fuel cell cathode;
前記燃料ガス供給サブシステムおよび/または前記酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。  A fuel cell system comprising: the fuel gas supply subsystem and / or an anion capture subsystem in communication with the oxygen-containing gas supply subsystem.
(態様2)(Aspect 2)
前記アニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを含む、態様1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system of embodiment 1, wherein the anion trapping subsystem comprises an anion exchange resin or an ionomer.
(態様3)(Aspect 3)
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、態様2に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 2, wherein the anion exchange resin or ionomer is in a hydroxide form.
(態様4)(Aspect 4)
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、態様2に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 2, wherein the anion exchange resin or ionomer contains a quaternary ammonium group.
(態様5)(Aspect 5)
前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループをさらに備える、態様1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system of aspect 1, further comprising an anode loop in which the fuel gas is recirculated and integrated with new fuel at a fuel recombination station.
(態様6)(Aspect 6)
前記アニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる、態様5に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 5, wherein the anion trapping subsystem is positioned between an anode outlet and the fuel recombination station.
(態様7)(Aspect 7)
前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、態様1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 1, wherein the oxygen-containing gas supply subsystem includes a cathode loop in which water is transferred from a cathode discharge to a retractable dry cathode oxygen-containing supply gas by a humidifier.
(態様8)(Aspect 8)
アニオン捕捉サブシステムがカソード排出部と前記加湿器との間に位置付けられる、態様7に記載の燃料電池システム。  8. The fuel cell system according to aspect 7, wherein an anion capture subsystem is positioned between the cathode exhaust and the humidifier.
(態様9)(Aspect 9)
前記燃料ガスが分子水素である、態様1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 1, wherein the fuel gas is molecular hydrogen.
(態様10)(Aspect 10)
前記酸素含有ガスが分子酸素である、態様1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 1, wherein the oxygen-containing gas is molecular oxygen.
(態様11)(Aspect 11)
前記アニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび/または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも80重量パーセントを除去する、態様1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 1, wherein the anion trapping subsystem removes at least 80 weight percent of the anion contaminant in the fuel gas and / or oxygen-containing gas.
(態様12)(Aspect 12)
アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、  A fuel cell system for removing anionic contaminants,
燃料電池スタックと、  A fuel cell stack;
前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供し、前記燃料ガス供給サブシステムが、前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む、燃料ガス供給サブシステムと、  A fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack, providing fuel gas to the fuel cell anode, wherein the fuel gas supply subsystem is configured to recycle the fuel gas A fuel gas supply subsystem including an anode loop integrated with new fuel at the recombination station;
前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供し、前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、酸素含有ガス供給サブシステムと、  An oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack, the oxygen-containing gas supply subsystem providing an oxygen-containing gas to the fuel cell cathode, wherein the oxygen-containing gas supply subsystem includes water from a cathode discharge section. An oxygen-containing gas supply subsystem that includes a cathode loop that is transferred to a retractable dry cathode oxygen-containing supply gas by a humidifier;
アノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる第1のアニオン捕捉サブシステムと、  A first anion capture subsystem positioned between an anode discharge and the fuel recombination station;
カソード排出部と前記加湿器との間に位置付けられる第2のアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。  A fuel cell system comprising a second anion capture subsystem positioned between a cathode discharge and the humidifier.
(態様13)(Aspect 13)
前記第1のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第2のアニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを各々独立して含む、態様12に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 12, wherein the first anion capture subsystem and the second anion capture subsystem each independently comprise an anion exchange resin or an ionomer.
(態様14)(Aspect 14)
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、態様13に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 13, wherein the anion exchange resin or ionomer is in a hydroxide form.
(態様15)(Aspect 15)
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、態様13に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 13, wherein the anion exchange resin or ionomer contains a quaternary ammonium group.
(態様16)(Aspect 16)
前記燃料ガスが分子水素である、態様13に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 13, wherein the fuel gas is molecular hydrogen.
(態様17)(Aspect 17)
前記酸素含有ガスが分子酸素である、態様13に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to aspect 13, wherein the oxygen-containing gas is molecular oxygen.
(態様18)(Aspect 18)
前記第1のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第2のアニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび/または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも80重量パーセントを各々独立して除去する、態様13に記載の燃料電池システム。  In embodiment 13, the first anion scavenging subsystem and the second anion scavenging subsystem each independently remove at least 80 weight percent of the anionic contaminants in the fuel gas and / or oxygen-containing gas. The fuel cell system described.

[0009]アノードおよび/またはカソード触媒層へ炭素担持触媒を組み込む燃料電池の概略横断面である。[0009] FIG. 2 is a schematic cross section of a fuel cell incorporating a carbon-supported catalyst into an anode and / or cathode catalyst layer. [0010]回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットである。[0010] FIG. 5 is a plot illustrating the correlation between recoverable voltage loss and sulfate concentration in fuel cell cathode discharge water. [0011]セル電圧損失とBOP材料浸出指数の相関のプロットを提供する。[0011] Provides a plot of the correlation between cell voltage loss and BOP material leaching index. [0012]アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図を提供する。[0012] A schematic diagram of a fuel cell system for removing anionic contaminants is provided.

[0013]ここで、発明者が目下知っている本発明を実施する最良の形態を構成する本発明の目下好適な構成、実施形態および方法に詳細に参照がなされることになる。図は必ずしも一定の比率であるわけではない。しかしながら、開示される実施形態は単に、様々なかつ代替の形態で具体化されてもよい本発明の例示であることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示される具体的な詳細は、限定的とではなく、単に本発明の任意の態様のための代表的な基礎と、かつ/または当業者に本発明を様々に利用することを教示するための代表的な基礎と解釈されるべきである。   [0013] Reference will now be made in detail to the presently preferred configurations, embodiments and methods of the invention, which constitute the best mode of carrying out the invention that the inventors are presently aware of. The figure is not necessarily a fixed ratio. However, it is to be understood that the disclosed embodiments are merely exemplary of the invention that may be embodied in various and alternative forms. Accordingly, the specific details disclosed herein are not intended to be limiting, but merely to serve as a representative basis for any aspect of the present invention and / or various uses of the present invention to those skilled in the art. Should be construed as a representative basis for teaching.

[0014]例において、または別途明示される場合を除いて、物量または反応および/もしくは使用の条件を示す本記載におけるすべての数量は、本発明の最も広い範囲を記載する際に単語「約」によって修飾されると理解されるべきである。規定される数値限度内での実施が一般に好適である。また、そうでない旨明示されない限り、パーセント、「の部」および比値は重量によっており、本発明に関連した所与の目的で適切または好適であるとの材料の群または種類の記載は、その群または種類の部材の任意の2つ以上の混合が等しく適切または好適であることを意味しており、化学用語での構成成分の記載は、その記載に明記される任意の化合物への追加の時点での構成成分を指すものであり、一旦混合されれば混合物の構成成分間の化学相互作用を必ずしも除外するわけではなく、頭字語または他の略語の最初の定義は、同じ略語の本明細書におけるすべてのその後の使用に適用され、かつ最初に定義した略語の通常の文法的変化に準用しており、さらに、そうでない旨明示されない限り、性質の測定値は、同じ性質に対してその前でまたは後で言及されるのと同じ技法によって求められる。   [0014] In the examples or unless otherwise stated, all quantities in this description that indicate physical quantities or conditions of reaction and / or use are intended to describe the word "about" in describing the broadest scope of the invention. Should be understood to be modified by Implementation within the numerical limits specified is generally preferred. Also, unless expressly stated otherwise, percentages, “parts” and ratio values are by weight, and a description of a group or type of material that is appropriate or suitable for a given purpose in connection with the present invention is Meaning that mixing of any two or more of a group or type of members is equally suitable or suitable, and the description of a component in chemical terms is an addition to any compound specified in that description. It refers to the components at the time and does not necessarily exclude chemical interactions between the components of the mixture once mixed, the initial definition of an acronym or other abbreviation is the same abbreviation of this specification Applies to all subsequent uses in the document and applies mutatis mutandis to the usual grammatical changes of the abbreviations defined at the beginning, and unless otherwise stated, the measure of a property is the Or determined by the same technique as mentioned later in front.

[0015]具体的な部品および/または条件がもちろん異なってもよいので、本発明は後述される具体的な実施形態および方法に限定されないことも理解されるべきである。さらにまた、本明細書で使用される術語は、本発明の特定の実施形態を記載する目的でのみ使用され、かついかなる形であれ限定的であるとは意図されない。   [0015] It should also be understood that the invention is not limited to the specific embodiments and methods described below, as specific components and / or conditions may of course vary. Furthermore, the terminology used herein is used only for the purpose of describing particular embodiments of the invention and is not intended to be limiting in any way.

[0016]用語「備えている」は、「含んでいる」、「有している」、「含有している」または「を特徴とする」と同義である。これらの用語は包括的かつオープンエンドであり、かつ追加の、列挙されていない要素または方法ステップを除外しない。   [0016] The term “comprising” is synonymous with “comprising”, “having”, “containing” or “characterizing”. These terms are comprehensive and open-ended and do not exclude additional, non-enumerated elements or method steps.

[0017]句「から成っている」は、請求項に明記されていないいかなる要素、ステップまたは成分も除外する。この句が請求項の前文直後でなく、本体の節に現れるとき、それはその節に記載される要素のみを限定し、他の要素は請求項全体からは除外されない。   [0017] The phrase “consisting of” excludes any element, step, or ingredient not specified in the claim. When this phrase appears in a main section rather than immediately after the preamble of a claim, it limits only those elements described in that section and does not exclude other elements from the entire claim.

[0018]句「本質的に〜から成っている」は、請求項の範囲を明記される材料またはステップに加え、請求される主題の基本的かつ新規な特性に実質的に影響しないものに限定する。   [0018] The phrase “consisting essentially of” limits the scope of the claim to the material or steps specified, as well as to those that do not substantially affect the basic and novel characteristics of the claimed subject matter. To do.

[0019]用語「備えている」、「から成っている」および「本質的に〜から成っている」に関して、これらの3つの用語の1つが本明細書で使用される場合、本開示かつ請求される主題は、その他の2つの用語のいずれの使用も含むことができる。   [0019] With respect to the terms "comprising", "consisting of", and "consisting essentially of" when one of these three terms is used herein, the present disclosure and claims The subject matter covered can include the use of either of the other two terms.

[0020]本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ある1つの」および「その」は、文脈が別途明示しない限り、複数の指示物を含むことも留意されなければならない。たとえば、単数での部品への言及は、複数の部品を含むものと意図される。   [0020] It should also be noted that as used in this specification and the appended claims, the singular forms “a” and “the” include plural referents unless the context clearly indicates otherwise. I must. For example, reference to a part in the singular is intended to include a plurality of parts.

[0021]略語
[0022]「RT」は室温を意味する。
[0023]本出願の全体を通じて、公報が参照される場合、これらの公報の開示がそれらの全体としてここで引用によって本出願に援用され、本発明が属する現状技術をより完全に記載する。
[0021] Abbreviations
[0022] "RT" means room temperature.
[0023] When publications are referenced throughout this application, the disclosures of these publications are hereby incorporated herein by reference in their entirety and more fully describe the state of the art to which this invention belongs.

[0024]図1は、アニオン汚染物が除去される燃料電池システムに組み込まれることができる燃料電池の横断面図を提供する。PEM燃料電池10は、カソード電気触媒層14とアノード電気触媒層16との間に設置される高分子イオン伝導膜12を含む。燃料電池10は、ガス流路24および26を含む導電流場板20、22も含む。流場板20、22は双極板(例示される)か、または単極板(すなわち、端板)かである。改良において、流場板20、22は、金または白金などの貴金属で任意選択で被覆される金属板(たとえば、ステンレス鋼)から形成される。別の改良において、流場板20、22は、やはり貴金属で任意選択で被覆される伝導性高分子から形成される。ガス拡散層32および34がまた、流場板と触媒層との間に介在される。動作の間、水素が燃料としてアノード触媒層16に供給され、そして酸素が酸化剤としてカソード触媒層14に供給され、それによってそこでの電気化学工程の結果として電気を生成する。しかしながら、燃料電池動作の1つの複雑化は、硫酸塩を放出することがある高分子イオン伝導膜の劣化である。加えて、空気からのSOが水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。例として、表1は、最初の時間での燃料電池電圧(V1)および空気中のppbレベルのSOへの曝露後の後の時間での燃料電池電圧(V2)を図示する。この表は、0.2A/cmで動作されているセルに対する周囲空気からのSOの影響を図示する。 [0024] FIG. 1 provides a cross-sectional view of a fuel cell that can be incorporated into a fuel cell system from which anionic contaminants are removed. The PEM fuel cell 10 includes a polymer ion conductive membrane 12 disposed between a cathode electrocatalyst layer 14 and an anode electrocatalyst layer 16. The fuel cell 10 also includes conductive flow field plates 20, 22 that include gas flow paths 24 and 26. The flow field plates 20, 22 are bipolar plates (illustrated) or monopolar plates (ie, end plates). In an improvement, the flow field plates 20, 22 are formed from a metal plate (eg, stainless steel) that is optionally coated with a noble metal such as gold or platinum. In another refinement, the flow field plates 20, 22 are formed from a conductive polymer that is also optionally coated with a noble metal. Gas diffusion layers 32 and 34 are also interposed between the flow field plate and the catalyst layer. During operation, hydrogen is supplied as fuel to the anode catalyst layer 16 and oxygen is supplied as oxidant to the cathode catalyst layer 14 thereby generating electricity as a result of the electrochemical process therein. However, one complication of fuel cell operation is the degradation of the polymer ion conducting membrane that can release sulfate. In addition, there is a possibility that the SO 2 from the air is dissolved in water, and is changed to sulfite and sulfate. As an example, Table 1 illustrates the fuel cell voltage (V1) at the first time and the fuel cell voltage (V2) at a later time after exposure to ppb levels of SO 2 in air. This table illustrates the effect of SO 2 from ambient air on a cell operating at 0.2 A / cm 2 .

Figure 2017103214
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図2は、回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットを提供する。同様に、図3は、セル電圧損失とBOP材料浸出指数の相関のプロットを提供する。燃料電池性能に対する硫酸塩の有害な影響は明確には否定できない。 FIG. 2 provides a plot illustrating the correlation between recoverable voltage loss and sulfate concentration in the fuel cell cathode discharge water. Similarly, FIG. 3 provides a plot of the correlation between cell voltage loss and BOP material leaching index. The harmful effects of sulfate on fuel cell performance cannot be clearly denied.

[0025]図4を参照して、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図が提供される。燃料電池システム40は、1つまたは複数の個々の燃料電池44を含む燃料電池スタック42を含む。改良において、燃料電池44は、図1に描かれる全般的な設計およびその関連した記載によるものである。1つの改良において、燃料電池スタック42は5から400の燃料電池を含む。燃料電池システム40は、燃料電池スタック42における燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステム46、および燃料電池スタック42における燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステム48も含む。   [0025] Referring to FIG. 4, a schematic diagram of a fuel cell system for removing anionic contaminants is provided. The fuel cell system 40 includes a fuel cell stack 42 that includes one or more individual fuel cells 44. In an improvement, the fuel cell 44 is according to the general design depicted in FIG. 1 and its associated description. In one refinement, the fuel cell stack 42 includes 5 to 400 fuel cells. The fuel cell system 40 also includes a fuel gas supply subsystem 46 in communication with the fuel cell anode in the fuel cell stack 42 and an oxygen-containing gas supply subsystem 48 in communication with the fuel cell cathode in the fuel cell stack 42.

[0026]さらに図4を参照すると、燃料ガス供給サブシステム46は、燃料電池スタック42に、特に燃料電池アノードに燃料含有ガスを提供する燃料源50を含む。典型的に、燃料は分子水素を含む。燃料は燃料電池スタックに入り、そして燃料電池アノード、特に燃料電池のアノード触媒層に接触する。いくつかの変形において、燃料ガス供給サブシステム46は、燃料がアノード排出部53から再循環されて燃料再結合ステーション54で新しい燃料と統合されるアノードループ52を含む。この状況において、アノードループ52は、再結合ステーション54から燃料電池スタックを通って、そして燃料再結合ステーション54に戻る全流動経路を含む。   [0026] Still referring to FIG. 4, the fuel gas supply subsystem 46 includes a fuel source 50 that provides a fuel-containing gas to the fuel cell stack 42, particularly to the fuel cell anode. Typically, the fuel contains molecular hydrogen. The fuel enters the fuel cell stack and contacts the fuel cell anode, particularly the anode catalyst layer of the fuel cell. In some variations, the fuel gas supply subsystem 46 includes an anode loop 52 in which fuel is recirculated from the anode exhaust 53 and integrated with new fuel at the fuel recombination station 54. In this situation, the anode loop 52 includes a total flow path from the recombination station 54 through the fuel cell stack and back to the fuel recombination station 54.

[0027]さらに図4を参照すると、酸素含有ガス供給サブシステム48は、燃料電池スタック42に酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス源60を含む。典型的に、酸素含有ガスは分子酸素(たとえば、空気)を含む。酸素含有ガスは燃料電池スタックに入り、そして燃料電池カソード、特に燃料電池のカソード触媒層に接触する。いくつかの変形において、酸素含有ガス供給サブシステム48は、水が燃料電池カソードのカソード排出部63から加湿器64を介する引込み乾性カソード酸素含有供給ガス(たとえば、空気)に転送されるカソードループ62を含む。この状況において、カソードループ62は、加湿器64から燃料電池スタックを通って、そして加湿器64に戻る全流動経路を含む。   Still referring to FIG. 4, the oxygen-containing gas supply subsystem 48 includes an oxygen-containing gas source 60 that provides an oxygen-containing gas to the fuel cell stack 42. Typically, the oxygen-containing gas includes molecular oxygen (eg, air). The oxygen-containing gas enters the fuel cell stack and contacts the fuel cell cathode, particularly the cathode catalyst layer of the fuel cell. In some variations, the oxygen-containing gas supply subsystem 48 includes a cathode loop 62 in which water is transferred from the cathode discharge 63 of the fuel cell cathode to a drawn dry cathode oxygen-containing supply gas (eg, air) via a humidifier 64. including. In this situation, the cathode loop 62 includes a full flow path from the humidifier 64 through the fuel cell stack and back to the humidifier 64.

[0028]さらに図4を参照すると、燃料電池システム40は、燃料ガス供給サブシステム46および/または酸素含有ガス供給サブシステム48と連通しているアニオン捕捉サブシステム66および/または68を含む。いくつかの変形において、燃料電池システム40は、アニオン捕捉サブシステム66および/または68の一方または両方を含む。アニオン捕捉サブシステム66および68は、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および任意選択で他の汚染物を除去する。アニオン捕捉サブシステム66は、アノード排出部53と再結合ステーション54との間でアノード再循環ループ52に位置付けられる。同様に、アニオン捕捉サブシステム68は、カソード排出部63と加湿器64との間でカソードループ62に位置付けられる。加湿器64は、乾性引込み酸素含有ガスを加湿するために、そのガスに燃料電池の湿性出力カソードガスに形成される水を転送する。したがって、加湿器は、アニオン汚染物が燃料電池スタックのカソード出口から通じてカソード入口に戻るための経路を提供する。改良において、アニオン捕捉サブシステム66は、カソード出口と加湿器64との間に位置付けられ、それによって酸素含有ガスに戻って通じるアニオン汚染物の量を低減させる。改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも80重量パーセントを各々独立して除去する。別の改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも90重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の80〜100重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の90〜98重量パーセントを各々独立して除去する。これらの重量百分率に関して、重量パーセントは、捕捉サブシステムへ流動するガスの重量である。   [0028] Still referring to FIG. 4, the fuel cell system 40 includes an anion capture subsystem 66 and / or 68 in communication with a fuel gas supply subsystem 46 and / or an oxygen-containing gas supply subsystem 48. In some variations, the fuel cell system 40 includes one or both of anion capture subsystems 66 and / or 68. Anion capture subsystems 66 and 68 remove sulfates and optionally other contaminants from the anode or cathode recirculation loop. An anion capture subsystem 66 is positioned in the anode recirculation loop 52 between the anode outlet 53 and the recombination station 54. Similarly, the anion trapping subsystem 68 is positioned in the cathode loop 62 between the cathode outlet 63 and the humidifier 64. The humidifier 64 transfers the water formed in the wet output cathode gas of the fuel cell to the dry entrained oxygen-containing gas to humidify the gas. Thus, the humidifier provides a path for anionic contaminants to pass from the cathode outlet of the fuel cell stack back to the cathode inlet. In an improvement, the anion trapping subsystem 66 is positioned between the cathode outlet and the humidifier 64, thereby reducing the amount of anionic contaminants that pass back to the oxygen-containing gas. In an improvement, the anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove at least 80 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas, respectively. In another improvement, anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove at least 90 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas, respectively. In yet another improvement, anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove 80-100 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas. In yet another improvement, anion capture subsystems 66 and 68 each independently remove 90-98 weight percent of anionic contaminants in the fuel gas and oxygen-containing gas. With respect to these weight percentages, the weight percent is the weight of gas flowing to the capture subsystem.

[0029]変形において、アニオン捕捉サブシステム66および68は、水酸化物(OH)形態でアニオン交換樹脂またはアイオノマー(共通の官能基:四級アンモニウム)を含む。樹脂は使用前にいかなる汚染も除去するために洗浄されることができることが認識されるべきである。その上、樹脂は稼働中に再生または交換されることができる。 [0029] In a variation, the anion capture subsystems 66 and 68 include an anion exchange resin or ionomer (common functional group: quaternary ammonium) in the hydroxide (OH ) form. It should be appreciated that the resin can be washed to remove any contamination prior to use. Moreover, the resin can be regenerated or replaced during operation.

[0030]表2および3は、水酸化物形態のAmberlyst(登録商標)A26であった試験アニオン交換樹脂に対する平衡状態での測定されたアニオン除去百分率を提供する。   [0030] Tables 2 and 3 provide the measured anion removal percentage at equilibrium for the test anion exchange resin that was Amberlyst® A26 in hydroxide form.

Figure 2017103214
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Figure 2017103214
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溶液中のアニオンの過当競争があると、アニオン交換樹脂が硫酸塩に対する高い選択性を有することが観察される。その上、3日にわたる異なる温度条件下でアニオン除去能力に有意差は観察されなかった。 It is observed that an anion exchange resin has a high selectivity for sulfate when there is excessive competition for anions in solution. Moreover, no significant difference was observed in the ability to remove anions under different temperature conditions over 3 days.

[0031]例示的な実施形態が上記記載されるが、これらの実施形態が本発明のすべての可能な形態を記載するとは意図されない。むしろ、本明細書で使用される文言は限定よりむしろ説明の文言であり、そして本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解される。追加的に、様々な実装実施形態の特徴が組み合わされて本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。   [0031] While exemplary embodiments are described above, it is not intended that these embodiments describe all possible forms of the invention. Rather, it is understood that the terminology used herein is descriptive rather than limiting, and that various changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, features of various implementations may be combined to form further embodiments of the invention.

10 PEM燃料電池
12 高分子イオン伝導膜
14 カソード電気触媒層
16 アノード電気触媒層
20 導電流場板
22 導電流場板
24 ガス流路
26 ガス流路
32 ガス拡散層
34 ガス拡散層
40 燃料電池システム
42 燃料電池スタック
44 燃料電池
46 燃料ガス供給サブシステム
48 酸素含有ガス供給サブシステム
50 燃料源
52 アノードループ、アノード再循環ループ
53 アノード排出部
54 燃料再結合ステーション
60 酸素含有ガス源
62 カソードループ
63 カソード排出部
64 加湿器
66 アニオン捕捉サブシステム
68 アニオン捕捉サブシステム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 PEM fuel cell 12 Polymer ion conductive film 14 Cathode electrocatalyst layer 16 Anode electrocatalyst layer 20 Conductive flow field plate 22 Conductive flow field plate 24 Gas flow path 26 Gas flow path 32 Gas diffusion layer 34 Gas diffusion layer 40 Fuel cell system 42 Fuel cell stack 44 Fuel cell 46 Fuel gas supply subsystem 48 Oxygen-containing gas supply subsystem 50 Fuel source 52 Anode loop, anode recirculation loop 53 Anode outlet 54 Fuel recombination station 60 Oxygen-containing gas source 62 Cathode loop 63 Cathode Discharge unit 64 Humidifier 66 Anion capture subsystem 68 Anion capture subsystem

Claims (18)

アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供する燃料ガス供給サブシステムと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス供給サブシステムと、
前記燃料ガス供給サブシステムおよび/または前記酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。
A fuel cell system for removing anionic contaminants,
A fuel cell stack;
A fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack, the fuel gas supply subsystem providing fuel gas to the fuel cell anode;
An oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack, the oxygen-containing gas supply subsystem providing an oxygen-containing gas to the fuel cell anode;
A fuel cell system comprising: the fuel gas supply subsystem and / or an anion capture subsystem in communication with the oxygen-containing gas supply subsystem.
前記アニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを含む、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 1, wherein the anion trapping subsystem comprises an anion exchange resin or ionomer. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the anion exchange resin or ionomer is in a hydroxide form. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the anion exchange resin or ionomer contains a quaternary ammonium group. 前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループをさらに備える、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 1, further comprising an anode loop in which the fuel gas is recirculated and integrated with new fuel at a fuel recombination station. 前記アニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる、請求項5に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 5, wherein the anion trapping subsystem is positioned between an anode outlet and the fuel recombination station. 前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 1, wherein the oxygen-containing gas supply subsystem includes a cathode loop in which water is transferred from a cathode discharge to a retractable dry cathode oxygen-containing supply gas by a humidifier. アニオン捕捉サブシステムがカソード排出部と前記加湿器との間に位置付けられる、請求項7に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 7, wherein an anion trapping subsystem is positioned between a cathode exhaust and the humidifier. 前記燃料ガスが分子水素である、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas is molecular hydrogen. 前記酸素含有ガスが分子酸素である、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxygen-containing gas is molecular oxygen. 前記アニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび/または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも80重量パーセントを除去する、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 1, wherein the anion trapping subsystem removes at least 80 weight percent of the anionic contaminants in the fuel gas and / or oxygen-containing gas. アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供し、前記燃料ガス供給サブシステムが、前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む、燃料ガス供給サブシステムと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに酸素含有ガスを提供し、前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、酸素含有ガス供給サブシステムと、
アノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる第1のアニオン捕捉サブシステムと、
カソード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる第2のアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。
A fuel cell system for removing anionic contaminants,
A fuel cell stack;
A fuel gas supply subsystem in communication with a fuel cell anode in the fuel cell stack, providing fuel gas to the fuel cell anode, wherein the fuel gas supply subsystem is configured to recycle the fuel gas A fuel gas supply subsystem including an anode loop integrated with new fuel at the recombination station;
An oxygen-containing gas supply subsystem in communication with a fuel cell cathode in the fuel cell stack, the oxygen-containing gas supply subsystem providing an oxygen-containing gas to the fuel cell anode, wherein the oxygen-containing gas supply subsystem includes water from a cathode discharge An oxygen-containing gas supply subsystem that includes a cathode loop that is transferred to a retractable dry cathode oxygen-containing supply gas by a humidifier;
A first anion capture subsystem positioned between an anode discharge and the fuel recombination station;
A fuel cell system comprising a second anion capture subsystem positioned between a cathode discharge and the fuel recombination station.
前記第1のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第2のアニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを各々独立して含む、請求項12に記載の燃料電池システム。   13. The fuel cell system according to claim 12, wherein the first anion capture subsystem and the second anion capture subsystem each independently comprise an anion exchange resin or ionomer. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、請求項13に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system of claim 13, wherein the anion exchange resin or ionomer is in hydroxide form. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、請求項13に記載の燃料電池システム。   14. The fuel cell system according to claim 13, wherein the anion exchange resin or ionomer includes a quaternary ammonium group. 前記燃料ガスが分子水素である、請求項13に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 13, wherein the fuel gas is molecular hydrogen. 前記酸素含有ガスが分子酸素である、請求項13に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 13, wherein the oxygen-containing gas is molecular oxygen. 前記第1のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第2のアニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび/または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも80重量パーセントを各々独立して除去する、請求項13に記載の燃料電池システム。   14. The first anion scavenging subsystem and the second anion scavenging subsystem each independently remove at least 80 weight percent of the anionic contaminants in the fuel gas and / or oxygen-containing gas. The fuel cell system described in 1.
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